CN107819524A

CN107819524A - 多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法、系统

Info

Publication number: CN107819524A
Application number: CN201711173694.9A
Authority: CN
Inventors: 高欣璐; 赵明阳; 谢牧彤; 黄善国
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN107819524B

Abstract

本发明公开了一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法和系统；所述方法包括：将N路相同的射频信号进行光载波调制；其中，N≥2；对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，使任意相邻两路射频信号间的射频边带相位差为，生成多重叠加态射频轨道角动量信号；通过环形天线阵列将所述多重叠加态射频轨道角动量信号发射。本发明能够生产任意叠加OAM态的同时大大降低系统复杂度，提高通信系统的容量和效率，并对特殊的叠加态OAM信号有减少天线数量及提高信号质量的效果。

Description

多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法、系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法、系统。

背景技术

轨道角动量(OAM)作为一个电磁场分量，可以应用在通信系统中增加通信维度。涡旋电磁波即拥有螺旋形相位波阵面的电磁波，其传播方位上包含各OAM态分量。1992年，Allen首次提出使用光涡旋波中的OAM分量来进行复用通信。2007年，Thide通过仿真分析指出，射频涡旋波与光涡旋波具有类似的性质，同样包含OAM态分量。无限的OAM本征态在理论上可以提供无限多个OAM复用信道，所为无线通信提供了广阔的前景。射频涡旋波的研究已经经过了近十年，主要应用于无线通信领域。

在涡旋电磁波通信当中，OAM信号的发射和传输是很重要的一环，便捷的发射产生方式及高效的传输模式是射频OAM信号通信的研究重点。近几年，诸多射频OAM信号复用产生方案已被提出。其中，在2014年提出了一种基于螺旋相位板(SPP)的射频OAM信号复用系统，该系统性能优越，能够支持多态8信道OAM信号传输。并指出该系统在合适的条件下，能够支持更高OAM态l的产生，并在后续研究中成倍提升传输距离。

该方法的关键在于通过不同形状的SPP来生成具有不同l值的OAM信号束，并利用各OAM态间相互正交的特性，通过电磁波束的耦合与准直，实现多OAM态的复用传输。然而，该系统结构繁复，只能产生特定的OAM态，并不适合于多个任意不同OAM态的涡旋波叠加传输；且该系统产生的OAM信号对带宽限制较大，对波长也有严格要求；即现有的多天线OAM系统存在复杂度高、传输效率低、天线数量大等技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法、系统，能够生产任意叠加OAM态的同时大大降低系统复杂度，提高通信系统的容量和效率，并对特殊的叠加态OAM信号有减少天线数量及提高信号质量的效果。

基于上述目的本发明提供的一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法，包括：

将N路相同的射频信号进行光载波调制；其中，N≥2；

对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，使任意相邻两路射频信号间的射频边带相位差为生成多重叠加态射频轨道角动量信号；

通过环形天线阵列将所述多重叠加态射频轨道角动量信号发射。

在一些实施方式中，当时，对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，生成单态射频轨道角动量信号。

在一些实施方式中，所述将N路相同的射频信号在光载波上进行调制之后，还包括：

将调制后的所述N路相同的射频信号进行放大处理。

在一些实施方式中，当所述多重叠加态射频轨道角动量信号为双重±l叠加态射频轨道角动量信号时，对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节之后，一半射频信号的边带信号相消，相消的射频信号在所述环形天线阵列中所对应的天线无射频输出，使天线需求数量减半。

另一发明，本发明还提供了一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统，包括：

光谱相位处理模块，用于生成N路相同的射频信号并进行光载波调制；对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，使任意相邻两路射频信号间的射频边带相位差为以生成多重叠加态射频轨道角动量信号；其中，N≥2；

环形天线阵列，用于将所述多重叠加态射频轨道角动量信号发射。

在一些实施方式中，所述光谱相位处理模块包括：波分复用光源、电光调制器、矢量网络分析仪和频谱光处理器；所述波分复用光源、电光调制器和矢量网络分析仪用于生成N路相同的射频信号并进行光载波调制；所述频谱光处理器用于对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，使任意相邻两路射频信号间的射频边带相位差为

在一些实施方式中，所述光谱相位处理模块还包括：光信号放大器，用于将调制后的所述N路相同的射频信号进行放大处理。

从上面所述可以看出，本发明提供的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法、系统，通过光谱直接处理多路电信号的方式，减少光电转化再调解造成的能量损失，同时免去了多路处理的复杂过程，从而大大优化了射频OAM信号产生系统。另外，能够产生双重±l叠加态OAM信号，减少了一半的天线阵元数，并提升信号质量减少失真，有效延长传输距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法流程图；

图2为本发明实施例的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统结构示意图；

图3(a)为本发明实施例中l＝1单态OAM信号的空间相位分布图；

图3(b)为本发明实施例中l＝±1叠加OAM信号的空间相位分布图；

图3(c)为本发明实施例中天线数量减少到两根时，产生l＝±1叠加OAM信号的空间相位分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法。参考图1，为本发明实施例的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法流程图。

所述多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法，包括以下步骤：

步骤101、将N路相同的射频信号进行光载波调制；其中，N≥2；

步骤102、对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，使任意相邻两路射频信号间的射频边带相位差为生成多重叠加态射频轨道角动量信号；

步骤103、通过环形天线阵列将所述多重叠加态射频轨道角动量信号发射。

在本发明实施例的方案中，将N路相同的射频信号调制在光载波(这里为N根频梳)上，然后对N路射频信号的相位进行调节，使任意相邻的两路间的射频边带相位差为实现多叠加态射频OAM信号的产生。然后，再将产生的多叠加态射频OAM信号分配到N根天线，通过环形天线阵列(CAA)将电磁波发送出去，实现多叠加态射频OAM信号的传输。

其中，在生成多叠加态射频OAM信号时，只需计算出生产该OAM态所需要的相位差并直接在光谱上利用相位相加调整，即可得到想要的叠加态OAM信号。

此外，还可以通过设置来生成单态射频轨道角动量信号。具体的，当时，能够满足OAM态l对应OAM的螺旋形相位要求，对调制后的N路射频信号进行相位调节后，生成单态射频轨道角动量信号。

作为优选的，当所述多重叠加态射频轨道角动量信号为双重±l叠加态射频OAM信号时，对调制后的N路射频信号进行相位调节之后，一半射频信号的边带信号相消，相消的射频信号在所述环形天线阵列中所对应的天线无射频输出，使天线需求数量减半。

可见，由于OAM态的正交性，经过光谱相位调节产生不同OAM态的信号可以同时在空间独立传输，从而实现同频率射频OAM信号传输复用，而不会由于射频频率相同导致信号接收时发生串扰。

通过本发明实施例的方法，能够生成任意叠加OAM态的同时大大降低系统复杂度，提高通信系统的容量和效率，并对特殊的叠加态OAM信号有减少天线数量及提高信号质量的效果。

另一方面，本发明实施例还提供了一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统。参考图2，为本发明实施例的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统结构示意图。

所述多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统，包括：

参考图2所示，以四根天线为例，实线示出的光路主要实现光谱处理和信号产生两大功能。具体的，光谱相位处理模块包括：波分复用光源WDM、电光调制器MAM、矢量网络分析仪VNA和频谱光处理器FD-OP。从波分复用光源WDM发出的光(N根光频梳线)在电光调制器MZM中将射频信号(这里用矢量网络分析仪VNA来产生)调制，经光信号放大器EDFA放大处理后送至FD-OP当中，进行相位控制，并将N组梳线分路。在光频谱上增加或减少相应的边带相位，实现射频信号的移相控制，其中任意相邻两组光边带相位差调整为最后将N组光信号分别送入对应的N路光电探测器PD当中，并利用CAA射频信号辐射出去，此时每根天线间的射频相位差也为

本实施例的系统中，CAA完成了电磁辐射的功能，由N根天线构成直径为D的正圆，任意两根天线与圆心构成的夹角为θ。在远端用一根可移动的天线来接收该CCA辐射的电磁场，通过蓝色射频链路利用VNA来分析系统性能。实际应用中不需要使用VNA，只需要直接接收解调。当利用该CAA来产生OAM信号时，其辐射电磁场G可表达为：

其中为角向波数，可以看出G中含有OAM信号分量该电磁场满足电磁涡旋波通信要求。当光链路相位调整为时，则对应生成OAM态为l₁的单态射频OAM信号。在光路中通过叠加来实现l₁，l₂……l_n态叠加的多重OAM信号。即以生成l₁，l₂，l₃三个OAM态叠加为例时，各个天线间的相位差为

经数学推导，其辐射电磁场G在叠加的OAM态为±l时，更接近纯净的OAM信号。此时天线阵中1，3，5……天线中有射频信号，各个天线相位差为而2，4，6……天线中无射频输出，其信号在光路中叠加相消，在PD处无射频响应。以N＝4为例，生成l＝2和l＝-2叠加态时，四个天线输出相位分别为0°，180°，360°，540°。以标准方式则需要八根天线生成l＝2的单一OAM态，正负耦合叠加态省去的天线为无输出的2，4，6，8四根天线。因此，在本实施例的CAA系统中，±l叠加态的OAM信号不失真，天线数需求小，更加适用于通信系统当中。由此，本实施例的系统可以实现多重叠加态OAM信号的生成。

参考图3(a)至图3(c)，示出了OAM信号的空间相位分布对比，通过VNA和可移动天线来接收获取空间中各点射频信号的实时相位。首先利用四根天线来产生OAM信号，在不改变天线阵直径的情况下，生产不同的OAM态。一般情况下，对于CAA生产OAM信号要求满足以下条件：

因此，用四根天线只能生成l＝1或l＝-1两种OAM信号。图3(a)为l＝1单态OAM信号的空间相位分布，图3(b)则对应l＝±1叠加OAM信号的空间相位分布。通过效果对比可以看出，对于l＝±1这种特殊的叠加态OAM信号，其相位分布无失真，传输效果优于单态OAM信号。而图3(c)则是将天线数量减少到2根时，产生l＝±1叠加OAM信号的空间相位分布。该图与图3(b)无差别，实现了天线数目减少的目的。该特殊叠加态OAM信号突破了原有公式中CAA系统的约束条件，使其拓展为：

-N<l<N。

经测试，在同点接收时，该叠加态传输强度比单态传输强度高3dBm，叠加态OAM信号具有更高的信噪比和更低的误码率。因此，通过该系统生成的OAM信号，尤其是±l耦合叠加态OAM信号，更易融合在现有的通信系统当中，有效地减少天线使用数，提高无线通信系统的容量和效率，并提升有效传输距离。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法，其特征在于，包括：

将N路相同的射频信号进行光载波调制；其中，N≥2；

2.根据权利要求1所述的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法，其特征在于，当时，对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，生成单态射频轨道角动量信号。

3.根据权利要求1所述的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法，其特征在于，所述将N路相同的射频信号在光载波上进行调制之后，还包括：

将调制后的所述N路相同的射频信号进行放大处理。

4.根据权利要求1所述的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输方法，其特征在于，当所述多重叠加态射频轨道角动量信号为双重±l叠加态射频轨道角动量信号时，对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节之后，一半射频信号的边带信号相消，相消的射频信号在所述环形天线阵列中所对应的天线无射频输出，使天线需求数量减半。

5.一种多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统，其特征在于，所述光谱相位处理模块包括：波分复用光源、电光调制器、矢量网络分析仪和频谱光处理器；所述波分复用光源、电光调制器和矢量网络分析仪用于生成N路相同的射频信号并进行光载波调制；所述频谱光处理器用于对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节，使任意相邻两路射频信号间的射频边带相位差为

7.根据权利要求6所述的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统，其特征在于，所述光谱相位处理模块还包括：光信号放大器，用于将调制后的所述N路相同的射频信号进行放大处理。

8.根据权利要求5所述的多重叠加态射频轨道角动量信号光控传输系统，其特征在于，当所述多重叠加态射频轨道角动量信号为双重±l叠加态射频轨道角动量信号时，对调制后的所述N路相同的射频信号进行相位调节之后，一半射频信号的边带信号相消，相消的射频信号在所述环形天线阵列中所对应的天线无射频输出，使天线需求数量减半。